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火力發(fā)電廠閥門主要用于控制流體壓力、流量和流向，是保障電站安全運行的重要附件，其中閥桿是軸類零件，由外圓柱面、外圓錐面、外螺紋等組成，上部連接執(zhí)行機構(gòu)或手柄，下部直接帶動心部移動或轉(zhuǎn)動，是閥門重要的傳動部件。在閥門啟閉過程中，閥桿除承受軸向外力和傳動機構(gòu)的扭矩外，同時還受到高溫高壓介質(zhì)的沖擊和腐蝕，因此容易在應(yīng)力集中部位發(fā)生斷裂事故。

 

研究人員總結(jié)了最近幾年國內(nèi)電廠閥桿的斷裂案例，并結(jié)合自身在工作中遇到的問題，將引起事故的原因分為閥桿自身因素和外部因素兩大類，以為火電廠閥桿斷裂原因分析提供參考。

 

1.自身因素

 

1.1 閥桿材料原因

 

1.1.1 錯用材料

 

錯用材料可能會使服役期間閥桿的力學(xué)性能不滿足閥門廠家的設(shè)計要求，容易在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致閥桿斷裂。王志武等分析了300MW汽輪機高壓主汽閥閥桿斷裂的原因，發(fā)現(xiàn)該閥桿選用20Cr2MoVCu鋼，而并非設(shè)計材料2Cr12NiMoWV鋼，在加工過程中，熱處理溫度過高使材料的晶粒粗大以及綜合力學(xué)性能較差，造成材料不滿足服役的要求。

 

1.1.2 材料組織劣化

 

絕大多數(shù)閥桿處在高溫工況下，長時間的高溫服役易造成材料組織劣化。晶界附近網(wǎng)狀碳化物的析出可導(dǎo)致材料的力學(xué)性能不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，增加閥桿斷裂的潛在風(fēng)險。彭以超等研究了亞臨界300MW 機組高壓主汽閥閥桿斷裂的原因，結(jié)果表明材料為C422鋼的閥桿由于服役時間較長，在晶界附近產(chǎn)生較多網(wǎng)狀碳化物，造成晶界弱化，材料的抗拉強度與屈服強度均低于標(biāo)準(zhǔn)值。

 

1.1.3 硬化層

 

隨著電廠載荷的變化，閥桿在使用過程中不間斷地上升與下降，與周圍部件產(chǎn)生摩擦，閥桿一直處在交變的高壓蒸汽沖擊應(yīng)力和高溫?zé)釕?yīng)力場中，因此要求材料必須具備較高的耐磨和抗疲勞特性。常用的方法是采用滲氮技術(shù)提高材料表面硬度，同時保持心部良好的韌性，使閥桿獲得較好的使用性能。對于缺口敏感的變徑處，滲氮層會增加變徑部位表層材料的脆性，使微裂紋在該處萌生并擴展（見圖1），因此對于缺口敏感的變徑部位，在滲氮過程中應(yīng)遮蓋或者在滲氮后采用機械加工的方式去除表面硬化層。

 

 

 

1.1.4 冶煉工藝

 

閥桿一般由非真空冶煉→電渣重熔→壓機鐓拔開坯→完全退火→表面磨光→軋制→等溫退火→調(diào)質(zhì)→校直→表面酸洗磨光等工序制造而成。如果冶煉工藝處理不當(dāng)，可能會在材料中引入非金屬夾雜物等缺陷。在閥桿的橫斷面上，非金屬夾雜可以呈點狀、片狀、鏈狀或團塊狀分布，嚴(yán)重的夾雜物容易引起材料的開裂或降低其使用性能。張學(xué)星等對X39CrMo17-1不銹鋼閥桿的斷裂原因進行分析，發(fā)現(xiàn)閥桿心部存在硫化物類非金屬夾雜物，級別為2.5級，已達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求的上限；且材料的沖擊性能不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，說明冶煉質(zhì)量不佳是導(dǎo)致事故發(fā)生的一個重要原因。

 

1.1.5 熱處理工藝

 

熱處理是閥桿制造工序的重要環(huán)節(jié)，熱處理工藝的好壞決定著閥桿最終使用的綜合性能。周麗琴等研究了電動閘閥桿的斷裂原因，發(fā)現(xiàn)閥桿熱處理調(diào)質(zhì)環(huán)節(jié)的淬火和回火保溫時間不足，使沖擊韌度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，材料脆化。同時，調(diào)查發(fā)現(xiàn)這只是個例情況，分析認(rèn)為可能是個別閥桿因裝爐方式不當(dāng)而在熱處理過程中出現(xiàn)了異常。此外，熱處理不當(dāng)可能會造成閥桿鍛造過程中產(chǎn)生的帶狀組織無法消除，使材料的力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性，即沿著帶狀縱向的強度高、韌性好；橫向的強度低、韌性差。若閥桿在服役期間受到沿帶狀組織橫向的應(yīng)力作用，就極易發(fā)生斷裂事故。

 

1.1.6 機械加工

 

機械加工也是閥桿制造工序中必不可少的環(huán)節(jié)，如果處理不當(dāng)可能會造成加工刀痕，使材料產(chǎn)生原始缺陷，易在加工刀痕應(yīng)力集中處提前產(chǎn)生裂紋源，增加了服役過程中的風(fēng)險。江國棟等研究了汽輪機閥桿在退刀槽處的斷裂原因，結(jié)果在斷口附近退刀槽外表面發(fā)現(xiàn)較大的加工刀痕[ 見圖2（a）]，經(jīng)放大觀察，可見這些加工刀痕已形成許多裂紋，且裂紋已向內(nèi)部擴展[見圖2（b）]。

 

 

1.2 閥桿結(jié)構(gòu)原因

 

閥桿斷裂位置基本都在退刀槽、螺紋根部等變徑部位（見圖3），閥桿變徑處的結(jié)構(gòu)形式一方面造成應(yīng)力高度集中，另一方面縮小了承載面積，是閥桿整體最薄弱的部位。張學(xué)星等對閥桿退刀槽部位的應(yīng)力狀態(tài)進行了有限元模擬分析。首先將螺紋部分簡化為直桿，并且在中間變徑區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格[見圖4（a）]；然后在底部施加固定約束，在上部施加200N·m的扭矩和500N的拉力[ 見圖4（b）]；最終通過等效應(yīng)力云圖[ 見圖4（c）]發(fā)現(xiàn)在變徑處存在應(yīng)力集中，且整個退刀槽部位的受力和兩端相比較大，是造成閥桿斷裂的危險區(qū)域。

 

因此，最好在閥桿的變徑部位設(shè)置圓滑過渡，以緩解應(yīng)力集中造成的潛在危害（見圖5）。廖煜輝對改進前后的閥桿10% 開度下的應(yīng)力狀態(tài)進行模擬（見圖6），改進優(yōu)化前閥桿變徑直角階梯處等效應(yīng)力分布極不均勻，有局部出現(xiàn)應(yīng)力過高的狀況，其中最大值為4.3167MPa；優(yōu)化后的等效應(yīng)力分布比較均勻，等效應(yīng)力為3.3458MPa，改善效果明顯。

 

 

 

 

2.外部因素

 

2.1 服役條件因素

 

電廠閥桿一般在高溫高壓的工況中服役，機組正常運行條件下，閥門內(nèi)的蒸汽壓力和溫度變化幅度不大，此時只要所用閥桿材料的性能滿足要求，發(fā)生斷裂的情況極少。然而，目前火電機組在運行過程中常常伴隨啟停、載荷波動以及深度調(diào)峰等情況，此時閥門內(nèi)的蒸汽壓力和溫度將會不斷變化，產(chǎn)生交變的沖擊應(yīng)力和熱應(yīng)力，在該條件下服役的閥桿易發(fā)生疲勞斷裂。引起疲勞斷裂的應(yīng)力一般遠(yuǎn)低于材料的強度極限，有時甚至低于彈性極限，且具有突發(fā)性，因此危險性極大。

 

2.2 閥門結(jié)構(gòu)因素

 

閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理可能會造成閥桿的高頻振動，導(dǎo)致閥桿疲勞斷裂。廖源等研究了高壓調(diào)閥閥桿的振動問題，發(fā)現(xiàn)振動是閥殼進汽腔室設(shè)計不合理引起的：汽缸上半部的2個調(diào)門閥殼腔室相通（下半部相同），蒸汽從左右2根管道進入同一腔室，腔室內(nèi)流場復(fù)雜，汽流激振力頻率一旦與閥芯零件固有頻率接近，調(diào)閥閥芯零件將產(chǎn)生振動，特別是閥門小開度或僅開啟1 只閥門時，振動強度更大，對設(shè)備的破壞程度也更大。

 

2.3 閥門附近管道布置

 

研究人員在分析一起高旁閥閥桿斷裂事故時，發(fā)現(xiàn)機組高旁閥與主蒸汽管道通過T型三通和大小頭連接，主蒸汽管道與高旁閥距離設(shè)計值為941mm，現(xiàn)場實際測量值為1200mm。閥門廠家安裝手冊中說明：“上游閥門的入口需要一段直管道，直管道長度為5倍管道內(nèi)徑，且最短為2~5m，在這個部分不能有任何部件，特別要盡量避免T型接頭，如果有多余的設(shè)備安裝在閥門上游管道，延長直管道距離是必須的”。

 

標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5054—2016《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計規(guī)范》中要求“：亞臨界及以上參數(shù)機組主蒸汽管道的合流或分流三通宜采用斜三通或‘Y’型三通等，汽輪機旁路閥前應(yīng)有一定的直管段，其尺寸和布置要求應(yīng)與制造廠協(xié)商確定”?，F(xiàn)場實際閥門上游直管距離僅為1 200 mm，小于閥門廠家要求的最小直%管長度，且通過T 型三通連接，閥門在開啟狀態(tài)下易發(fā)生振動幅度增大的情況，影響閥桿的疲勞壽命。

 

3.結(jié)語

 

總結(jié)了電廠閥桿發(fā)生斷裂的各種因素，可以明確的是，斷裂事故一般不是由單一因素造成的，而是多因素共同作用的結(jié)果。因此，在對斷裂原因進行分析時，應(yīng)盡可能從多方面查找問題。對閥桿斷裂形式和原因的深入分析可為閥桿材料在設(shè)計、制造加工、服役，以及機組在設(shè)計、運行方面存在的問題提供指導(dǎo)意見，保證火電機組的平穩(wěn)、安全運行。

 

作者：閆敬明

 

單位：中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司西北電力試驗研究院 材料研究所

 

來源：《理化檢驗-物理分冊》2025年第1期